Examen C.I.T. - Eerste zit Theorie

Examen C.I.T. - Eerste zit 2002-2003

Theorie Geef van alle grootheden de betekenis en de dimensie!!!

1. Destillatie Deze vraag handelt over een multicomponentrectificatie. - Definieer de begrippen sleutelcomponenten en volatiliteit. De vergelijking van Fenske levert een mogelijkheid op om het minimum aantal theoretische schotels te bepalen, nodig voor een destillatie. - Leid de vergelijking van Fenske af. - Wat doet men indien de volatiliteit niet als een constante kan aanzien worden over de ganse rectificatiekolom?

2. Gasabsorptie - Stel met behulp van balansen de werklijn op voor een stationaire absorptiekolom in gelijkstroom. Er treden geen reacties op. Vertrek hierbij van de algemene uitdrukking van een balans. - Stel in een Xg,Xvl-diagram het verloop weer van deze absorptie. Leid hieruit af hoe het minimaal (draag) vloeistofdebiet kan afgeleid worden. X staat hierbij voor een molfractie, betrokken op een molaire eenheid draagvloeistof of -gas. - In welk praktisch geval kan men geen onderscheid maken tussen een gelijk- en een tegenstroomproces?

3. Reactoren - Wanneer is het noodzakelijk om naast de continuïteitsvergelijking ook een energievergelijking voor een propstromingsreactor op te stellen? - Geef drie redenen waarom in praktijk een buisreactor kan afwijken van de ideale propstromingsreactor (bv. wanneer de reactor gevuld is met heterogene katalysator)? Leg kort uit waarom. - Hoe test men in hoeverre een reactor een ideale propstromingsreactor is? - Bespreek de analogie en de verschillen tussen de propstromingsreactor en de batch-reactor (zonder formules).

Examen C.I.T.2 -Eerste zit 2002-2003

4(S)CHC

Th. p.1

4. Extractie - Bespreek batch-percolatoren. - Bespreek Pachuca-tanks. - Bespreek de Hildebrandt-schroef-extractor. Geef ook voor elk type aan: dispersie of percolatie. Geef de definitie van deze twee begrippen. - Hoe kan men vier batch-percolatoren op een semi-continue manier gebruiken (korte uitleg)?

5. Korte vragen Quotering: in totaal 10 % van het theorie-examen. Maximum score is 2, minimum score is 0. - bij een correct antwoord : +0,4

- bij een verkeerd antwoord : -0,2

- indien geen antwoord : geen score Uw antwoord bestaat enkel uit ja of nee (er wordt dus geen verdere uitleg gevraagd) J/N

Stellingname In een rectificatiekolom vallen de werklijnen voor alle platen in de volledige kolom samen als de vloeistofdebieten doorheen gans die kolom constant blijven. Bij gasabsorptie waarbij er een chemische reactie optreedt in de vloeistoffase veroorzaakt een temperatuursstijging steeds een verbetering van de absorptie. Honingraatreactoren vertonen meestal turbulente stroming in de kanaaltjes. Bij een vloeistof-vloeistof-extractie moet de onderlinge oplosbaarheid van solvent en diluens zo groot mogelijk zijn. Binaire mengsels die een azeotroop vormen kunnen gescheiden worden in voldoend zuivere componenten met behulp van één rectificatiekolom.


4(S)CHC

Th. p.2

Examen C.I.T. - Eerste zit 2002-2003 Oefeningen 1. Chemische reactoren In een reactor wordt 1 M azijnzuuranhydride met een grote overmaat water omgezet in azijnzuur. De aflopende reactie is : (CH3CO)2O(opl) + H2O(vl) → 2 CH3COOH(opl) De reactie gedraagt zich als een eerste-orde-reactie in het anhydride met een reactiesnelheidsconstante van 0,00263 1/s bij 25 °C. - Hoe groot moet een isotherme propstromingsreactor zijn om bij 25 °C een conversie van 99% te bekomen als het voedingsdebiet 100 /minuut bedraagt? - Men beslist om het gevaar op nevenreacties te verminderen door het optreden van hoge concentraties aan azijnzuuranhydride te vermijden. Daarom opteert men voor een cascade van twee reactoren op 25 ° C: eerst een volkomen vermengde reactor (werkt concentratieverlagend), en daarna een propstromingsreactor (om de hoge conversie te halen). Beide reactoren hebben hetzelfde volume. Wat is het benodigde volume reactor als de globale conversie 99% moet blijven? (Bij deze vraag bekomt u uiteindelijk een vergelijking in het gevraagde volume die u kunt oplossen door verschillende waarden van V in de vergelijking te substitueren).

2. Gasabsorptie In een absorptiekolom wordt ammoniak uit een ammoniak/lucht-mengsel met zuiver water verwijderd. De absorptie gebeurt isotherm. De druk en de temperatuur zijn resp. 1 atm en 30 °C. De volgende gegevens zijn voorhanden: - samenstellingen aan de bodem : 0,072 kmol NH3/(kmol NH3-vrije lucht) en 0,045 kmol NH3/(kmol NH3vrije water). - samenstelling aan de top : 0,002 kmol NH3/kmol NH3-vrije lucht. - de oplosbaarheid van ammoniak in water is afhankelijk van de ammoniak-partieeldruk: pNH3 (mm Hg) kg NH3/(100 kg water)

51,0 5,0

40,1 4,0

24,4 2,5

15,3 1,6

11,5 1,2

- moleculaire gewichten : ammoniak 17 g/mol ; water 18 g/mol. Gevraagd: - Bepaal de constante van Henry op basis van de gegevens in de tabel. - Bepaal de verhouding V'/V'min. - Bepaal het aantal overdrachtseenheden in deze absorptiekolom. Gebruik hierbij gemiddelde debieten over de kolom. 3. Destillatie Examen C.I.T.2 -Eerste zit 2002-2003

4(S)CHC

Oef. p.1

Men brengt 6 kmol benzeen-tolueen-mengsel bevattende 25 mol% benzeen in de kookkolf van een batchrectificatiekolom. Als men de refluxverhouding instelt op 2,5 verkrijgt men een eerste destillaat met 85mol% benzeen. Verder is Figuur 1 gegeven. - Hoeveel schotels bevat deze kolom? Om steeds hetzelfde destillaat te verkrijgen verandert men voortdurend de refluxverhouding. Op een bepaald moment is de refluxverhouding 9 geworden. - Wat is op dat moment de vloeistofsamenstelling in de kookkolf? - Hoeveel destillaat heeft men tot nu toe gekregen? - Hoeveel kmol kan men maximaal overdestilleren zonder dat de destillaatsamenstelling verandert?

xg

xvl

Figuur 1 : evenwichtsdiagram van benzeen-tolueen bij 1 atm


4(S)CHC

Oef. p.2

Examen C.I.T. - Tweede zit 2002-2003

Theorie Geef van alle grootheden de betekenis en de dimensie!!!

1. Destillatie - Leid met behulp van balansen de vergelijking van Rayleigh af voor een differentiële destillatie. - Hoe uit het verschil zich tussen een differentiële destillatie en een batch-rectificatie in deze vergelijking? - Bespreek kort het principe van een flash-destillatie en een stoomdestillatie.

2. Gasabsorptie - Definieer de begrippen theoretische schotel en overdrachtseenheid. De dimensionering van een pakkingskolom kan zowel via een McCabe-Thiele constructie als met behulp van overdrachtseenheden. - Bespreek kort deze twee methodes (zonder afleidingen en/of tekeningen). Duid duidelijk aan in welke mate ze van elkaar verschillen. - In welk geval bestaat er geen verschil tussen een gelijkstroom- en een tegenstroomabsorptie? - Vul de volgende tabel in: Bepaling van hoogte van de kolom minimaal vloeistofdebiet diameter van de kolom

Kan berekend worden via balansen / continuïteitsvergelijking / drukval balansen / continuïteitsvergelijking / drukval balansen / continuïteitsvergelijking / drukval

3. Chemische reactoren - Definieer een volkomen vermengde reactor. - Wanneer is het noodzakelijk om naast de continuïteitsvergelijking ook een energievergelijking voor een volkomen vermengde reactor op te stellen? - Bespreek de verblijftijd(sdistributie) van een volkomen vermengde reactor. Geef drie redenen waarom er afwijkingen ten opzichte van de ideale toestand kunnen optreden. - Beschouw twee parallel verlopende aflopende reacties. Welke reactor verkiest u en waarom (zowel op het gebied van conversie als op het gebied van selectiviteit)?

Examen C.I.T.2 -Tweede zit 2002-2003

4(S)CHC

Th. p.1

4. Vast-vloeistof-extractie - Geef een tweetal verschillen tussen een vloeistof-vloeistof-extractie en een vast-vloeistof-extractie. - Definieer het begrip ideale vast-vloeistof-extractie. - Wat is een raffinaatkromme? - Geef twee voorbeelden van vast-vloeistof-extracties op industriële schaal.

5. Korte vragen Quotering: in totaal 10 % van het theorie-examen. Maximum score is 2, minimum score is 0. - bij een correct antwoord : +0,4

- bij een verkeerd antwoord : -0,2

- indien geen antwoord : geen score Uw antwoord bestaat enkel uit ja of nee (er wordt dus geen verdere uitleg gevraagd) J/N

Stellingname Bij een totale condensor wordt er slechts een deel van de dampfase, onttrokken aan de top van een rectificatiekolom, gecondenseerd. Willekeurig gevormde pakkingen zijn het goedkoopst en het efficiëntst. Batch-reactoren worden quasi nooit gebruikt voor kleinere productiehoeveelheden. De distributiecoëfficiënt is afhankelijk van de hoeveelheid solvent die toegevoegd wordt aan een voeding (bij een vl-vl-extractie). Een mogelijke oplossing voor het breken van een azeotroop is het uitvoeren van een rectificatie in twee kolommen die werken bij een verschillende druk.


4(S)CHC

Th. p.2

Examen C.I.T. - Tweede zit 2002-2003

Oefeningen 1. Destillatie De voeding van een stationaire rectificeerkolom is 150 kmol/u. De voeding bevat 40 mol% methanol en 60 mol% water. De voeding wordt voor de kolom door een voorverwarmer gestuurd, waardoor 40 % van de voeding verdampt. De voeding komt op de optimale voedingsschotel op de kolom. De ingestelde reflux-verhouding is 2,5 keer de minimale refluxverhouding. De temperatuur aan de top is 339 K en de temperatuur in de reboiler is 371 K. Zowel de condensor als de reboiler zijn totaal. Verder is Figuur 1 gegeven. - Wat is de samenstelling van destillaat en residu? - Wat is het debiet aan destillaat en residu? - Wat is de minimale reflux-verhouding? - Hoeveel theoretische schotels bevat de kolom? - Bepaal met behulp van de vergelijking van Fenske een gemiddelde waarde van de volatiliteit van water/methanol-mengsels.

2. Gasabsorptie In een absorptiekolom met een diameter van 1,26 m willen we 1 kg/(m2.s) gas wassen met behulp van 20 m3/u zuiver water. Het water moet 95% van het ammoniak, aanwezig in de gasfase, verwijderen en mag na de kolom maximaal 5 mol% ammoniak bevatten. De dichtheid van de vloeistof- en de gasfase bedragen resp. 1000 en 1,65 kg/m3. Per kubieke meter pakking in de kolom is er 250 vierkante meter uitwisselingsoppervlak (dit is de av-waarde). De pakking vertoont een porositeit van 0,70. De factor µvl/µW bedraagt 1. Het moleculair gewicht van water en ammoniak bedraagt resp. 18 en 17 g/mol. Verder is Figuur 2 gegeven. - op hoeveel % van het maximale gasdebiet (bepaald ten opzichte van flooding) werkt deze kolom? Indien dit een iteratieve werkwijze vereist, volstaat het om 1 enkele iteratie uit te voeren. - wat is het maximaal toegelaten ammoniakgehalte in de gasfase (in gew%) aan de inlaat van de kolom? - wat is het maximale vloeistofdebiet dat mag gebruikt worden in deze kolom?


4(S)CHC

Oef. p.1

3. Vloeistof-vloeistof-extractie Figuur 3 toont het ternair diagram van de componenten water-azijnzuur-methylisobutylketon (M.I.B.). 150 kg/u van een oplossing van 20 gew% azijnzuur in water wenst men te behandelen met M.I.B. om het azijnzuurgehalte te verlagen. - Wat is de capaciteit (uitgedrukt als een gewichtsfractie azijnzuur) van het solvent M.I.B. voor deze scheiding? - Wat is het minimale solventdebiet, nodig om een scheiding in een extract- en een raffinaatfase te bekomen? Wat zijn de samenstellingen van extract en raffinaat op dat moment? - Wat is het minimale azijnzuurgehalte dat men in het raffinaat kan bekomen door gebruik te maken van 1 enkele extractie? water

azijnzuur

Figuur 3 : ternair diagram (in gew%) van water-azijnzuur-methylisobutylketon bij 25 °C en 1 atm. Examen C.I.T.2 -Tweede zit 2002-2003

4(S)CHC

Oef. p.2

Figuur 1 : evenwichts- en kookdiagram van methanol-water bij 1 atm.


4(S)CHC

Oef. p.3

Dimensies : V en G in de abscis uitgedrukt in m3/(m2.s) ;

G in de ordinaat uitgedrukt in kg/(m2.s)

Figuur 2 : omstandigheden voor flooding


4(S)CHC

Oef. p.4


4(S)CHC

Oef. p.5

Examen C.I.T. - Eerste zit Theorie

Recommend Documents